CN110489913A - 带遮雨帽的电抗器的温升计算方法 - Google Patents

带遮雨帽的电抗器的温升计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了带遮雨帽的电抗器的温升计算方法，包括构建空心电抗器磁场‑电路耦合仿真模型；分别建立未加遮雨帽的电抗器、加遮雨帽的电抗器的流场‑温度场仿真模型；选择影响电抗器温升的主要因素；将正交试验法与有限元法相结合，对遮雨帽的结构参数进行排列组合，得到不同参数遮雨帽的电抗器的温度场仿真数据；对参数变量进行拟合，得到电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式；建立未加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式；根据电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式，得到加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式。本发明得出遮雨帽作用下的电抗器温升解析计算方法，实现了电抗器温升的定量计算。

Description

带遮雨帽的电抗器的温升计算方法
技术领域
本发明属于电抗器温升计算领域，具体涉及带遮雨帽的电抗器的温升计算方法。
背景技术
干式空心电抗器因结构简单、线性度好、重量轻等优点成为大型电力电抗器的首选类型，在实际运行过程中电抗器常出现烧毁的现象，相关研究表明局部温升过高是导致电抗器烧毁的主要原因之一，因此在电抗器设计中对温升的准确计算至关重要。已有的温升计算方法主要是通过计算气道到内流体的平均温升和包封壁面与流体间的流固温差，从而获得电抗器的整体温升分布，然而该方法主要适用于未加遮雨帽工况。如公开号为CN107871037A的中国专利“一种35kV干式电抗器内部温度估算方法”不适用于加遮雨帽的电抗器。
在实际运行过程中为了减小环境因素对电抗器的影响，常在电抗器端部加装遮雨帽，然而加遮雨帽后电抗器包封间气道内流体受热向端部流动时，受到遮雨帽的阻碍后流体流速显著降低，现有的温升计算方法未考虑遮雨帽对电抗器温升的影响，且无法准确的给出遮雨帽作用下电抗器温升解析计算式，限制了其实际应用。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供带遮雨帽的电抗器的温升计算方法，借助电抗器的磁场-流场-温度场的耦合仿真技术，形成遮雨帽结构参数与包封间气道内流体流速变化率的数学关联式，最终获得电抗器的温升解析式。
本发明的技术方案是带遮雨帽的电抗器的温升计算方法，包括以下步骤，
步骤1：构建空心电抗器磁场-电路耦合仿真模型，获得电抗器各包封线圈周围磁场分布及损耗；
步骤2：分别建立未加遮雨帽的电抗器、加遮雨帽的电抗器的流场-温度场仿真模型；
步骤2.1：建立未加遮雨帽的电抗器的流场-温度场仿真模型，将步骤1计算得到的损耗作为激励条件施加在模型上；
步骤2.2：建立加遮雨帽的电抗器的流场-温度场仿真模型，将步骤1计算得到的损耗作为激励条件施加在模型上；
步骤3：根据遮雨帽的结构参数，选择影响电抗器温升的主要因素，并确定遮雨帽各结构参数的选取范围；
步骤4：将正交试验法与有限元法相结合，对遮雨帽的结构参数进行排列组合，根据步骤2的电抗器的流场-温度场仿真模型得到不同参数遮雨帽的电抗器的温度场仿真数据；
步骤5：利用步骤4的不同参数遮雨帽的电抗器的温度场仿真数据，对参数变量进行拟合，得到电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式；
步骤6：建立未加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式；
步骤7：结合步骤6的未加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式和步骤5的电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式，得到加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式。
步骤3中，所述影响电抗器温升的主要因素，包括遮雨帽的半径、遮雨帽的高度以及遮雨帽与电抗器顶端的距离。
步骤5中，所述电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式如下
其中为加遮雨帽后的包封间气道内流体流速的变化率，H0为遮雨帽的高度，R为遮雨帽的半径，H1为遮雨帽与电抗器顶端的距离；根据的定义
为未加遮雨帽工况下电抗器包封间流体的平均流速，为加遮雨帽后气道内流体的平均流速。
未加遮雨帽工况下，气道两侧包封壁面热流密度相等时，电抗器包封间气道的平均流速如下
其中为未加遮雨帽下的包封间气道内流体的平均流速，β为热膨胀系数，d为气道宽度，qw为包封壁面热流密度，μ为动力粘度，Cp为比热容，g为重力加速度；
未加遮雨帽下电抗器的温升ΔTm的计算表达式如下
式中ρ为流体密度，H为包封高度，Cp为流体比热容，λ为导热系数，Nu为努赛尔数。
加遮雨帽下电抗器的温升ΔTmax1的计算表达式如下
即为
式中kNu为加遮雨帽与未加遮雨帽工况下气道内流体的努赛尔数比值。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1)借助干式空心电抗器的磁场-电路耦合仿真技术和电抗器的流场-温度场仿真技术，获得加遮雨帽和未加遮雨帽两种工况下电抗器包封线圈温升、流场及包封壁面热流密度分布特点；
2)将正交试验法与有限元法相结合，获得遮雨帽结构参数与电抗器包封间气道内流体流速变化率的拟合关联式，得出遮雨帽作用下的电抗器温升解析计算方法，实现了电抗器温升的定量计算。
3)借助于加遮雨帽的温升定量计算方法，可为后期加遮雨帽作用下的电抗器各包封的热负荷分配提供指导意见，实现电抗器在电力系统中的安全稳定运行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为带遮雨帽的电抗器的温升计算方法的流程图。
图2为加遮雨帽工况下的空心电抗器整体结构示意图。
图3为本发明的电抗器温度场仿真选取的路径示意图。
图4为本发明的有限元仿真模型中电抗器的网格剖分示意图。
图5为未加遮雨帽下的电抗器温度场仿真结果示意图。
图6为本发明的电抗器内部等效的包封-气道单元示意图。
图7为本发明加遮雨帽工况下的电抗器温度场仿真结果示意图。
附图标记说明：包封1、气道2、遮雨帽3、包封顶端4、第一路径5、第二路径6、第三路径7、第四路径8。
具体实施方式
如图1和图2所示，实施例中采用单遮雨帽，电抗器由10个包封线圈组成，带遮雨帽的电抗器的温升计算方法，包括以下步骤，
步骤1：根据电抗器内部包封生热散热特点，形成电抗器的初始设计参数；基于电抗器的初始设计参数，采用COMSOL等仿真软件，建立空心电抗器磁场-电路耦合仿真模型，获得电抗器包封线圈周围的磁场分布及各包封的损耗；
步骤2：分别建立未加遮雨帽的电抗器、加遮雨帽的电抗器的流场-温度场仿真模型；
步骤2.1：建立未加遮雨帽的电抗器的流场-温度场仿真模型，将步骤1计算得到的损耗作为激励条件施加在模型上；
步骤2.2：建立加遮雨帽的电抗器的流场-温度场仿真模型，将步骤1计算得到的损耗作为激励条件施加在模型上；
步骤3：根据遮雨帽的结构参数，选择遮雨帽的半径、遮雨帽的高度以及遮雨帽与电抗器顶端的距离作为影响电抗器温升的主要因素，并确定遮雨帽各结构参数的选取范围；
步骤4：将正交试验法与有限元法相结合，对遮雨帽的结构参数进行排列组合，根据步骤2的电抗器的流场-温度场仿真模型得到不同参数遮雨帽的电抗器的温度场仿真数据；
步骤5：利用步骤4的不同参数遮雨帽的电抗器的温度场仿真数据，采用最小二乘法对参数变量进行拟合，得到电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式；
步骤6：建立未加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式；
步骤7：结合步骤6的未加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式和步骤5的电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式，得到加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式。
步骤1中，根据电抗器各包封线圈的生热散热特点，形成电抗器内部包封具有基本相同的散热能力的等式约束条件，结合MATLAB编程软件形成电抗器的初始设计参数，使得电抗器内部各包封间气道内流体流速基本相同。采用COMSOL仿真软件，建立电抗器的磁场-电路模型耦合仿真模型，在电抗器通过额定电流时，获得流过电抗器各包封线圈的电流和包封线圈周围的磁场，进而获得包封线圈的涡流损耗；根据计算得到的电抗器包封线圈电阻损耗，可以获得电抗器各包封线圈的总损耗。
空心电抗器磁场-电路耦合仿真模型做如下简化和等效：电抗器等效为二维轴对称模型，包封线圈中金属导体和绝缘材料及遮雨帽按照实际的参数进行设置，仿真过程中考虑金属导体电导率与电抗器包封线圈温度的双向耦合。模型中包封线圈由导体和绝缘材料组成，通过热源加载，网格剖分及边界条件设置，获得未加遮雨帽、加遮雨帽两种工况下电抗器的温度场仿真结果，如图5和图7所示。在距离包封线圈较近区域网格相对密集，在远离线圈网格剖分相对稀疏，如图4所示。
步骤4中，根据未加遮雨帽、加遮雨帽两种工况下的电抗器温度场仿真结果，提取沿不同路径下的气道内流体流速、包封温升及包封壁面热流密度分布特点，其中包封线圈所提取的详细路径如图3所示，包括第一路径5、第二路径6、第三路径7、第四路径8。
步骤5中，采用最小二乘法对仿真数据进行拟合，得到电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式如下
其中为加遮雨帽后的包封间气道内流体流速的变化率，H0为遮雨帽的高度，R为遮雨帽的半径，H1为遮雨帽与电抗器顶端的距离；根据的定义
为未加遮雨帽工况下电抗器包封间流体的平均流速，为加遮雨帽后气道内流体的平均流速。
根据电抗器的初始设计参数，将内部包封线圈的散热过程等效为包封-气道单元散热，考虑到在设计过程中内部各包封具有基本相同的生热、散热能力，气道两侧包封壁面热流密度基本相同，因此内部各包封间气道具有基本相同的流速。结合竖直管道的线圈生热散热特性，如图6所示，在未加遮雨帽工况下，且气道两侧包封壁面热流密度相等时电抗器包封间气道的平均流速按照下式计算
其中为未加遮雨帽下的包封间气道内流体的平均流速，β为热膨胀系数，d为气道宽度，qw为包封壁面热流密度，μ为动力粘度，Cp为比热容，g为重力加速度；
未加遮雨帽下电抗器的温升ΔTm的计算表达式如下
式中ρ为流体密度，H为包封高度，Cp为流体比热容，λ为导热系数，Nu为努赛尔数。
加遮雨帽下电抗器的温升ΔTmax1的计算表达式如下
即为
式中kNu为加遮雨帽与未加遮雨帽两种工况下气道内流体的努赛尔数比值。
本实施例给出了加遮雨帽工况下的干式空心电抗器温升解析计算方法，上述的温升解析计算方法不仅仅局限于单遮雨帽电抗器模型，同样适用于带双遮雨帽的电抗器等其他结构型式。

Claims (4)

1.带遮雨帽的电抗器的温升计算方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：构建空心电抗器磁场-电路耦合仿真模型，获得电抗器各包封线圈周围磁场分布及损耗；
步骤2：分别建立未加遮雨帽的电抗器、加遮雨帽的电抗器的流场-温度场仿真模型；
步骤2.1：建立未加遮雨帽的电抗器的流场-温度场仿真模型，将步骤1计算得到的损耗作为激励条件施加在模型上；
步骤2.2：建立加遮雨帽的电抗器的流场-温度场仿真模型，将步骤1计算得到的损耗作为激励条件施加在模型上；
步骤3：根据遮雨帽的结构参数，选择影响电抗器温升的主要因素，并确定遮雨帽各结构参数的选取范围；
步骤4：将正交试验法与有限元法相结合，对遮雨帽的结构参数进行排列组合，根据步骤2的电抗器的流场-温度场仿真模型得到不同参数遮雨帽的电抗器的温度场仿真数据；
步骤5：利用步骤4的不同参数遮雨帽的电抗器的温度场仿真数据，对参数变量进行拟合，得到电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式；
步骤6：建立未加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式；
步骤7：结合步骤6的未加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式和步骤5的电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式，得到加遮雨帽的电抗器的温升的解析计算式。
2.根据权利要求1所述的带遮雨帽的电抗器的温升计算方法，其特征在于，步骤3中，所述影响电抗器温升的主要因素，包括遮雨帽的半径、遮雨帽的高度以及遮雨帽与电抗器顶端的距离。
3.根据权利要求1所述的带遮雨帽的电抗器的温升计算方法，其特征在于，步骤5中，所述电抗器包封间流体流速变化率与遮雨帽结构参数间的拟合关系式如下
其中为加遮雨帽后的包封间气道内流体流速的变化率，H0为遮雨帽的高度，R为遮雨帽的半径，H1为遮雨帽与电抗器顶端的距离；
根据的定义， 为未加遮雨帽工况下电抗器包封间流体的平均流速，为加遮雨帽后气道内流体的平均流速。
4.根据权利要求3所述的带遮雨帽的电抗器的温升计算方法，其特征在于，
未加遮雨帽工况下，气道两侧包封壁面热流密度相等时，电抗器包封间气道的平均流速如下
其中为未加遮雨帽下的包封间气道内流体的平均流速，β为热膨胀系数，d为气道宽度，qw为包封壁面热流密度，μ为动力粘度，Cp为比热容，g为重力加速度；
未加遮雨帽下电抗器的温升ΔTm的计算表达式如下
式中ρ为流体密度，H为包封高度，Cp为流体比热容，λ为导热系数，Nu为努赛尔数；
加遮雨帽下电抗器的温升ΔTmax1的计算表达式如下
即为
式中kNu为加遮雨帽与未加遮雨帽工况下气道内流体的努赛尔数比值。
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